軟土地基市政排水管道沉降原因分析及對策

楊濱

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

軟土地基市政排水管道沉降原因分析及對策

楊濱

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

以工程實測數據資料為基礎，從管道鋪設開挖溝槽卸土回彈后在回填土體自重壓力下的再壓縮，圍護樁體打、拔擾動造成的管道周邊及基礎土體損失，管道上部回填料松散引起的自密實壓縮變形等幾方面原因，對軟土地基場地條件下鋪設的市政排水管道工后沉降原因進行了詳細分析，并提出了減少排水管道工后沉降的相應對策。

排水管道；軟土地基；沉降

1 概述

在我國江浙滬地區廣泛分布有軟土地基場地，為解決附加荷載較大的構建筑物工后沉降明顯問題，工程設計人員多采用深基礎或地基處理等方式。對于市政排水管道工程來說，理論上對于鋪設場地幾乎沒有附加荷載，不應出現明顯的沉降。另外對于管道工程，實踐中也較少采用相對代價較高的大范圍地基處理或深基礎形式。

2 工程實測數據資料

那工程實踐中，市政排水管道發生沉降的實際情況如何呢?本文將分析某大型主題公園工程園區內市政排水管道施工及工后全過程的沉降情況。該工程位于上海市浦東新區某地，占地面積約4 km2，各類市政管線累計總長度已達數十公里(見圖1)。其中根據排水工藝布置要求，排水系統包括雨、污水管道，管徑φ100～φ2 500 mm不等，采用塑料及鋼筋混凝土成品管材，管道設計埋深1.5～7.5 m不等。

圖1 工程整體布置概況

本工程場地地質情況屬于典型濱海平原(長江三角洲沖擊平原)地貌。淺部土層組厚度約9 m，至上而下分別為①層填土、②層粉質粘土、③層淤泥質粉質粘土。中部土層厚度約16 m，至上而下分別為④層淤泥質粘土、⑤1層粘土、⑤3層粉質粘土等。其中③、④層厚度較大，較為軟弱，是管道坐落的主要土層，屬典型軟土地基。

本工程場地淺部地基土采用了真空預壓+PVD塑料排水板方法進行場地整體地基處理。地基處理后，淺部各土層物理指標較處理前有一定改善，但變化幅度不大，力學性指標(壓縮性指標和強度指標)在第③、④層中均較處理前有較明顯的提高；靜力qc值在淺部土層中提高約20%～50%，下部土層影響不明顯。處理后，第③層土從正常固結土變為超固結土，應力歷史發生明顯變化。而④、⑤1層固結程度略有提高，但基本上仍屬正常固結土。

在市政排水管道工程中大量使用塑料管及鋼筋混凝土管，其中塑料管屬柔性材料，變形協調性能好，能消化吸收大部分管道整體及差異沉降，工程性質可靠。但當工藝設計對管徑要求較大時，由于塑料管材料的強度局限，工程上多使用預制成品鋼筋混凝土管道，采用承插連接。由于管節間開口變形的限制，鋼筋混凝土管道對沉降較敏感，見圖2。

圖2 鋼筋混凝土管道變形開裂風險示意

本工程較先開展某段鋼筋混凝土雨水支管施工完成驗收時發現多處發生管道與檢查井接口開裂。為查明原因，現場選取某段管線(兩座雨水檢查井DMH#J22～ DMH#J23之間)，采集沉降數據。該段鋼筋混凝土管管徑1 200 mm，埋深約5.2 m。管道敷設采用傳統鋼板樁圍護開挖溝槽，施工過程中輔以輕型井點降水措施，管道基礎依據《上海市排水管道通用圖》［4］，采用混凝土平板及管枕基礎。

沉降結果顯示，檢查井J22處累計沉降71 mm，檢查井J23處累計沉降118 mm，管道中部某點累計沉降125 mm，最大差異沉降達到47 mm，管道與檢查井接口部位，差異沉降明顯，見圖3。

圖3 管道沉降實測數據

3 管道沉降原因分析

如本文前述，管道鋪設對于場地幾乎沒有附加荷載，若理論上假設場地工程性狀沒有明顯改變，不應出現明顯的沉降。但事實上管道沉降確實出現，且數量明顯，絕非施工、測量誤差可以解釋。據此推論假設不能成立，即管道鋪設施工對場地土體工程性狀有較明顯的改變。

3.1 溝槽卸土后底部回彈在回填壓重下壓縮變形

本工程溝槽(基坑)開挖面基本處于第③層淤泥質粉質粘土層中，該層土為第四紀Q42、濱?！珳\海相沉積物，呈飽和、流塑狀，高等壓縮性，其中5～8 m深度段分布有第③夾層灰色粘質粉土夾淤泥質粉質粘土，相關土層經地基處理后的工程物理性質見表1。

根據《建筑地基基礎設計規范》［2］5.3.10～5.3.11條規定要求，由于回彈模量Eci與回彈再壓縮模量E′ci取值不同，基坑的回彈再壓縮變形量S′c與回彈

表1 地基處理后土層工程物理性質表

(3)地基土回彈模量Eci及回彈再壓縮模量E′ci可取同一數值，一般可取土層壓縮模量的2～3倍［5］，若按此經驗變形量Sc計算結果較大；

(4)假定式(2)成立，可根據地質勘查實驗數據計算回彈模量Eci。

按溝槽寬度3.5 m(即管道外壁兩側各1 m的肥槽寬度)，長度30 m計，累計地基回彈再壓縮變形量S′c約為20.10 mm，見表2。變形量Sc在理論概念上不同。但因為工程實際最終關心的是地基再壓縮變形的量值S′c，同時考慮到地基變形的復雜性及計算準確性，本工程分析計算可假定：

(1)基坑回彈僅限基坑范圍，基坑回彈量與自重應力呈線性關系，基坑邊緣不受基坑開挖影響，基坑開挖完畢即基坑回彈全部完成［5］；

(2)基坑回彈再壓縮量S′c在回彈量值范圍內，采用式(1)［2］計算，用回彈再壓縮模量E′ci代替式中回彈模量

表2 地基回彈再壓縮變形量計算值

3.2 溝槽圍護樁打、拔擾動土體損失引起變形

在本工程地區，對于管道溝槽開挖，根據埋深常采用放坡大開挖、鋼板樁圍護、拉森鋼板樁圍護開挖等幾種形式，并輔以必要的降、排水措施。另外管道塢浜依據《上海市排水管道通用圖》［4］，一般采用中粗砂回填密實，見圖4。

圖4 管道構槽圍護及管道塢浜示意圖(單位：cm)

為了將普通或拉森鋼板樁順利插入或拔出含水量較高的飽和軟土中，施工中往往會采用振動打拔。該方法不可避免造成土體擾動，最終引起土體重新固結沉降。同時，鋼板樁有一定體積，將其插入土中，會引起土體塑性變形，形成孔隙，如不處理，會造成管道周邊松散的回填料填充補償此類孔隙，最終導致管道周邊土體損失、松散，引起壓縮變形。另外，如果發生鋼板樁拔出時，大量土體附著在樁身上，造成的土體損失將更加明顯。

以上分析中，擾動后土體固結導致的壓縮變形量計算較為困難。但對于鋼板樁體積擠占，導致土體塑性變形，形成孔隙，以及土體附著樁身拔樁引起的土體壓縮變形，可嘗試有限元法分析計算。

以本工程實際使用的9～12 m Ⅳ型拉森鋼板樁(400 mm×170 mm×15.5 mm)為條件，簡化模型，假定如下：

(1)管道溝槽相對橫斷面，縱向尺寸較大，按平面有限元假定，不考慮管道的影響；

(2)回填密實，拔出鋼板樁后，強制接觸面(溝槽內、外兩側)土體向拔樁后擠壓或帶土損失形成的孔隙變形，最終導致管道沉降位移，不同假設計算條件下的等效變形量按表3選??；

表3 假定土體等效變形量表

(3)計算模型中假定彈性模量E取3倍的壓縮模量Es0.1～0.2；

(4)簡化取管道溝槽底豎向位移即為管道沉降量。

平面有限元分析由土體損失導致的土體變形趨勢見圖5，整體特征是上部土體變形完全表現為沉降，從地表向下隨深度增加逐漸減小。溝槽底部越靠近鋼板樁處土體越變形越明顯，表現為水平及豎向變形相結合。遠離鋼板樁的管道位置處土體變形基本體現為沉降，相對數值最小。

圖5 土體損失導致管道沉降有限元分析云圖

管道沉降計算結果見表4，如果鋼板樁拔出時發生大量土體明顯附著在樁身上，導致土體損失，將最終造成明顯的管道沉降，其理論數值將是不帶土拔出情況的5～10倍。

表4 土體損失導致管道沉降量計算結果

3.3 管道上部回填料松散引起的自密實壓縮變形

管道上部回填材料主要為管道周邊及管頂的松散材料，本工程采用中粗砂，管頂上500 mm以上為正常回填場地原土。按設計要求，平均密實度為0.93。

地表沉降曲線可簡化為拋物線(見圖6)，h即為地表最大沉降值，L為管道溝槽寬度，H為管道以上部分回填料厚度。

填料變形密實后質量保持不變，體積與密度成反比，密度和密實度成正比，所以體積V與密實度λ成反比，即式(3)成立∶

式中：λ1、V1分別為沉降發生前填料密實度和體積(見式(4))；λ2、V2分別為沉降發生后填料密實度和體積(見式(5))。假設當填料密實度λ2=0.93時，不再發生后續自密實。

可由上式推導得地表最大沉降值h，見式(6)。

本工程中取值溝槽寬度L=3.50 m，管道埋深5.2 m，管道以上回填料厚度H=3.8 m，回填料密實度λ和地表最大沉降值h對應關系見圖7?？梢姰敾靥盍厦軐嵍葹?.85～0.86時，地表最大值可達到400 mm以上。需要指出的是，雖然變形沉降量較大，但不會發展到管道位置，主要表現為地表土體沉降。

4 減少管道沉降相應對策

圖7 回填料密實度λ和地表最大沉降值h對應關系

造成本工程管道沉降的原因可大致分為溝槽開挖卸土后底部土體回彈變形，振動拔樁造成的土體損失及擾動，土體擾動后重新固結沉降長期作用等幾方面。采取適當措施可將其控制在一定范圍內，具體措施如下：

(1)考慮到管道溝槽底部回彈變形，應盡量減少溝槽開放暴露時間，減少對土體的擾動，可根據沉降觀測數據在排管過程中“預拋高”處理。

(2)拔樁過程中可采用跟蹤注砂漿的方式補償拔樁造成的土體損失。也應盡可能采用靜力拔樁的方式拔除，避免振動擾動造成土體損失。

(3)管道溝槽設計方面可適當增大溝槽寬度，避免鋼板樁距離過近造成擾動增強，鋼板樁入土深度不宜過深。

5 結語

工程實踐中市政排水管道施工過程中土體沉降客觀存在。發生沉降因素涉及方方面面，主要和管道鋪設施工過程有關，總結起來主要以下幾點：

(1)溝槽卸土后底部土體回彈因回填料壓重引起壓縮變形引起管道沉降；

(2)溝槽開挖圍護樁打、拔擾動及土體損失引起變形。

只要根據這些主要問題采取了合理的應對措施，相信在市政排水管道工程中管道工后沉降可以得到有效控制，滿足其使用功能要求。

［1］ GB50332-2002,給水排水工程管道結構設計規范［S］.

［2］ GB50007-2011,建筑地基基礎設計規范［S］.

［3］ 給水排水工程結構設計手冊編委會.給水排水工程結構設計手冊［M］.北京∶中國建筑工業出版社,2007.

［4］ 上海市排水管道通用圖PSAR-D-01-92［Z］.上?！蒙虾Ｊ谐鞘薪ㄔO設計院,1992.

［5］ 朱炳寅,婁宇,楊琦.建筑地基基礎設計方法及實例分析(第二版)［M］.北京∶中國建筑工業出版社,2013.

TU992.2

B

1009-7716(2015)08-0090-04

2015-06-01

楊濱(1982-)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事市政給排水工程結構設計工作。